[发明专利]层结构竖直场效应晶体管及其制造方法

说明书

层结构III族氮化物竖直场效应晶体管，包括：基板；覆盖所述基板具有窗口,且用于部分暴露所述基板的掩膜层；在所述基板上从所述掩膜层的窗口外延生长出来的漏区；外延生长在所述漏区顶表面上的绝缘层；外延生长在所述绝缘层顶面上的源区；和外延生长在所述漏区，绝缘层和源区的侧面上的竖直氮化物叠层，它被置于所述掩膜层的上方，提供连接所述源区和所述漏区的导电通道。在所述竖直氮化物叠层的侧面施加电压，调制从所述源区到所述漏区的电流。还有所需的电极和边缘项。

技术领域

本发明涉及层结构半导体器件及其制造方法。

背景技术

电力电子晶体管广泛用于各种邻域，例如移动电话网络，太阳能发电厂和电动汽车，用于改变电输出波形，例如，从DC(直流)到AC(交流)或从一个电压水平到另一个电压水平。这些晶体管需要在很宽的功率范围内工作，从移动手机的毫瓦量级到高压电力传输系统的数百兆瓦；有时需要工作在不同的频率，覆盖从无线电波到微波和毫米波。尽管在Si，SiC，砷化物和III族氮化物(GaN，AlN，InGaN，AlGaN等)晶体管的制造取得了进展，但这些器件各有优点和缺点。特别是现有器件还缺少在高电压(1KV)和高能量密度下保持低损耗工作的能力。

需要特别指出的是，在21世纪，人类在最优化电网中面临减少使用化石燃料和放射性材料的挑战。迄今为止，大规模地生产纯硅材料和硅太阳能电池，降低了太阳能电池板的成本，太阳能电站逐渐成为为全球电网的一部分。由太阳能电站产生的直流电必须使用逆变器高效率地变成三相交流电，或者使用升压器将电压提高到1200V以上，以减少电流，从而减少焦耳热。近年来，电动汽车(EV)和太阳能飞机的电力调控迫切需要类似的逆变器和升压器，即把电池的低直流电压(40V)转换为大于1KV，或将直流电压转换为三相交流电来驱动电动机。对于电动汽车来说，这些电路可以占所有成本的四分之一。

这些逆变器和升压器的转换效率取决于所使用的开关晶体管。这些晶体管必须满足以下要求：1)低能量损失使太阳能电站更具有经济效益，或使汽车或太阳能飞机能够行驶更长的距离；2)高击穿电压；3)在恶劣的操作环境下，具有可靠性和稳定性；4)内部包括有效的散热机制。

然而，市场上出售的晶体管从来都不是理想的：1)Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛用于逆变器/升压器模块。但是，它的主要缺点包括造成大的能量损失(15％)，低击穿电压和低开关速率。2)由宽带隙SiC制成的晶体管(带隙：3.26eV)是迄今为止较好的。但SiC的生长技术还不成熟，晶圆成本预计在近几年内处于相同的水平(一般为400美元/片，2”或2000美元/片，4”)；此外，晶片含有微管和空心管等缺陷，它们被认为是SiC高功率、高压晶体管的致命缺陷。

III-氮化物(如AlN和GaN)具有类似于SiC的性质，包括宽带隙，良好的导热性和高耐压。但它们与SiC不同。它们是极性材料，沿着一个称为C轴的方向具有自发极化。因此，对于具有C轴作为其表面法线的III族氮化物薄层而言，其顶部C面和底部C面不相等。从技术上讲，一个被称为III极面(以下称为III面或(0001)面，例如用于GaN的Ga面)，另一个被称为氮极面((000-1)面或N面)。但是，当C轴平行于薄晶片时，晶片通常称为非极性III-氮化物，因此C面、III-面和氮极面将与薄晶片的表面法线平行。

在两种不同的C-平面III-氮化物(如Al_0.25Ga_0.75N/GaN和In_0.36Al_0.64N/GaN)的异质结处，，存在能量带和极化的不连续性。这些不连续性会导致高电子迁移率的电荷导电通道和二维电子气(2DEG)可由电场调制。因此，它们已经被用于形成场效应晶体管(FET)，也被称为高电子迁移率晶体管(HEMT)，其工作电流密度为1A/mm。但是这些晶体管的工作电压一般很低(700V)。因此，已经尝试通过竖直结构设计来增加其击穿电压。